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伴隨數(shù)控加工規(guī)模的擴展和精度要求的提高，以及機床制造、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的維修、升級日益受到關(guān)注。高質(zhì)量的完成機床數(shù)控化維修改造，要求在充分了解設(shè)備現(xiàn)狀、掌握市場信息、明確改造目標(biāo)的前提下，統(tǒng)籌提高機床數(shù)控系統(tǒng)的“三性”，即兼容性，在設(shè)備接口約束下實現(xiàn)優(yōu)選；拓展性，為后繼升級改造預(yù)留空間；經(jīng)濟性，以盡可能小的成本實現(xiàn)改造目標(biāo)。
一、 設(shè)備現(xiàn)狀及改造目標(biāo)
1. 設(shè)備現(xiàn)狀：CT40數(shù)控車床，1988年由德國Gildmeister公司生產(chǎn)，所配備的數(shù)控系統(tǒng)是Datapilo EPL2系統(tǒng)。20多年來，CT40始終用于數(shù)控車床編程與操作教學(xué)演示及單件小批量中等復(fù)雜程度零件的加工。改造前，機床機械部分的性能仍十分可靠，但控制系統(tǒng)的已不能適應(yīng)教學(xué)和機加工要求。
2. 突出問題：機床的最大進給速度為10m/min、最大切削進給速度為5m/min，伺服系統(tǒng)的性能已不能滿足加工工藝的要求；其數(shù)控系統(tǒng)已停產(chǎn)，無法采購維修配件，顯示器已看不清顯示信息，無法買到與CNC系統(tǒng)中顯示接口匹配的顯示器；
3. 改造目標(biāo)：在批準(zhǔn)費用預(yù)算內(nèi)，開發(fā)機床控制系統(tǒng)，擴大CT40在教學(xué)和生產(chǎn)中的應(yīng)用，使伺服系統(tǒng)的性能滿足加工工藝的要求；排除設(shè)備故障；使設(shè)備升級能持續(xù)得到市場資源的支持。
二、 改造項目調(diào)研
1. 掌握原有數(shù)控系統(tǒng)的性能，確定操作者對機床性能的要求
實施改造項目前，必須對預(yù)改造機床的機械結(jié)構(gòu)、加工精度、運行狀態(tài)進行充分的考查，掌握設(shè)計參數(shù)、運行狀況、故障問題，明確改造目標(biāo)。
2. 資料收集
依據(jù)問題及目標(biāo)，突出重點、有針對性地進行資料收集，重視機床原始資料，包括電氣原理圖、電氣維修手冊、控制程序、設(shè)定參數(shù)、I/O點數(shù)、存儲容量等，結(jié)合運行記錄，對相關(guān)技術(shù)資料進行分析研究，根據(jù)實際需要確定改造方案。資料的收集和備份應(yīng)貫徹于改造全過程。
要特別注意訂正原始資料信息。有時生產(chǎn)廠家按用戶的要求，在系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上有一些特殊變動，而通用產(chǎn)品樣本不見得一一標(biāo)注，因此應(yīng)當(dāng)對照機床實物，把關(guān)鍵環(huán)節(jié)的每個細(xì)節(jié)一一落實，避免錯誤。
三、 分析、優(yōu)選
1. 確立改造后機床應(yīng)達(dá)到的功能。
2. 結(jié)合機床機械結(jié)構(gòu)及功率要求進行主軸伺服系統(tǒng)優(yōu)選。數(shù)控車床的主軸控制系統(tǒng)有
三種可選擇配置方式：
（1）數(shù)字主軸，需要選擇主軸驅(qū)動單元和主軸伺服電機，配置主軸編碼器。能夠?qū)崿F(xiàn)主軸的準(zhǔn)確定位及C軸功能。但其成本相對較高。
目前廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)的交流伺服調(diào)速系統(tǒng)和交流伺服電動機。
電主軸驅(qū)動是伺服技術(shù)的又一個發(fā)展。內(nèi)裝式高速電主軸，即利用主軸電動機的轉(zhuǎn)軸直接作為機床的主軸，帶動刀具（數(shù)控銑床）或工件（數(shù)控車床）旋轉(zhuǎn)。機床主軸一般通過主軸伺服電機帶動帶輪、齒輪副進行驅(qū)動，傳動鏈機械磨損不可避免，維護性差，精度保持性差。采用了電主軸驅(qū)動方式，由于最大限度地縮短了傳動鏈，減小了傳動鏈機械誤差對主軸精度的影響。但是采用電主軸方式驅(qū)動的機床主軸，主軸的扭矩一般較低。
（2）變頻器+交流電機：能夠在電氣上實現(xiàn)主軸速度控制，變頻器作為一個技術(shù)成熟的產(chǎn)品，相對于第一種方案具有價格優(yōu)勢，但精度遜于電主軸方式。
（3）普通電機+機械調(diào)速：價格便宜，僅能進行有級調(diào)速，適于簡易型數(shù)控車。
CT40型數(shù)控車床的原有主軸傳動系統(tǒng)采用了數(shù)字主軸驅(qū)動方式，機械傳動鏈主要是帶傳動機構(gòu)。這樣的傳動方式由于傳動鏈短，所以傳動誤差??；但是由于沒有齒輪傳動機構(gòu)，機床的扭矩較小。多年來的工作實踐表明，數(shù)字主軸的電氣驅(qū)動系統(tǒng)+帶傳動的機械傳動系統(tǒng)可以滿足本機床主要的工作任務(wù)。結(jié)合改造項目的經(jīng)費預(yù)算，并且考慮到此次技術(shù)改造將沿用原有數(shù)控機床的主要機械結(jié)構(gòu)和電器柜等器件，根據(jù)電器柜的空間布局尺寸，此次技術(shù)改造選擇了第一種方案，即主軸伺服電動機+主軸驅(qū)動單元作為機床主軸驅(qū)動方式。
機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示。
CT40型數(shù)控車床主軸驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3. 選擇主軸伺服電機考慮以下因素：電機的額定電壓、電機的功率、額定速度、電機的外形尺寸等。
四、 系統(tǒng)選型。
系統(tǒng)選型是綜合技術(shù)分析和市場調(diào)研兩方面成果的系統(tǒng)選優(yōu)。本項目的優(yōu)選過程是：
日本的Fanuc數(shù)控系統(tǒng)以其卓越的性價比在中國市場占領(lǐng)了相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。同時西門子產(chǎn)品的更新也在最近幾年出現(xiàn)了新氣象。
目前西門子的主流數(shù)控系統(tǒng)包括802C、802D solution line、840D、810D等。802C是專門為低端CNC機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)；802D是西門子公司在新世紀(jì)推出的數(shù)控系統(tǒng)，屬于中低檔系統(tǒng)；SINUMERIK 840D的突出之處在于其不斷擴展的特性，可以實現(xiàn)許多特殊的NC功能，這在同類系統(tǒng)中是難以看到的；SINUMERIK 810D是840D的CNC和驅(qū)動控制集成型，簡單來說就是SINUMERIK 810D系統(tǒng)沒有驅(qū)動接口，SINUMERIK 810D NC軟件基本包含了840D的全部功能。
Fanuc-0i系列CNC系統(tǒng)是新型的，具有高性能/價格比、豐富的控制功能、強大的個性化功能及豐富方便的維修功能的數(shù)控系統(tǒng)。0i-MA、0i-MB、0i-MC：用于加工中心和銑床，支持4軸4聯(lián)動；0i-TA、0i-TB、0i-TC：用于車床，支持4軸2聯(lián)動。
系統(tǒng)選型結(jié)論：考慮到CT40數(shù)控車床主要用于精度要求一般、形狀較簡單或形狀中等復(fù)雜零件的加工、生產(chǎn)批量一般不大；結(jié)合項目的資金預(yù)算；施工人員的實踐經(jīng)驗，最終選定采用Fanuc-0iTB系統(tǒng)。
五、改造方案實施。
1. 主軸電機及驅(qū)動裝置選擇。 表2為從FanucAC主軸電機手冊摘錄的性能參數(shù)與電機型號對照表，所選主軸伺服電機的功率、扭矩應(yīng)大于等于機床要求的主軸功率和扭矩。按上文給出的機床主要技術(shù)參數(shù)所示，CT40主軸伺服電動機功率為22KW、主軸最大扭矩為150NM、主軸轉(zhuǎn)速范圍10~4000/min，選用α22系列。在確定電機型號后，根據(jù)廠家提供的技術(shù)手冊合理選擇主軸驅(qū)動裝置，參照主軸驅(qū)動裝置技術(shù)手冊可查到與選定主軸電動機相對應(yīng)的主軸驅(qū)動裝置型號。
2. 裝配連接。 主軸電動機的常見裝配方式有法蘭式裝配和地腳螺釘式裝配兩種。由于一般主軸傳動鏈都會包含帶傳動、齒輪傳動方式以提高主軸低速扭矩。所以法蘭式裝配方式更常用。在選擇主軸電動機時一定要特別注意手冊上給出的電動機外形尺寸以及法蘭尺寸，并在裝配完成后按手冊給出的主軸電動機轉(zhuǎn)軸及法蘭盤裝配精度方法及精度允差進行檢驗。
3. 主軸檢測裝置。 數(shù)控機床一般是通過軟件插補運算實現(xiàn)螺紋加工的，由于主軸傳動鏈一般會包括齒輪副等變速機構(gòu)，所以主軸轉(zhuǎn)速常會與主軸電機轉(zhuǎn)速存在偏差，為保證插補過程的順利實現(xiàn)，通常在主軸電機的轉(zhuǎn)軸上安裝脈沖編碼器以對主軸電動機實施精確的閉環(huán)控制。
4. 主軸伺服系統(tǒng)初始化
在完成了主軸伺服系統(tǒng)硬件安裝后，數(shù)控系統(tǒng)第一次上電時，必須進行數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)、伺服系統(tǒng)參數(shù)、主軸控制參數(shù)的初始化調(diào)試，以及PLC編程等軟件方面的初始化調(diào)試操作。表3所示為CT40型數(shù)控車床伺服系統(tǒng)升級改造時，所采用的Fanuc 0i系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)參數(shù)的初始化設(shè)置及其含義。
5. 相關(guān)調(diào)試。
在實際進行主軸伺服系統(tǒng)參數(shù)初始化調(diào)試時，應(yīng)在了解主軸系統(tǒng)初始化參數(shù)的含義的基礎(chǔ)上，結(jié)合機床配置的機電部件重要技術(shù)參數(shù)，完成調(diào)試操作。
對主軸伺服系統(tǒng)進行了升級后，機床的主軸轉(zhuǎn)速范圍明顯有所擴展，因而必須校核機床相關(guān)機械部件的性能是否適應(yīng)升級后主軸伺服系統(tǒng)的性能。
通過分析進給伺服系統(tǒng)傳動鏈和主軸傳動系統(tǒng)傳動鏈可知，應(yīng)把校核的重點放在對絲杠和主軸軸承的校核。校核方法可以采用利用機械原理相關(guān)知識進行精確計算；在工程實際中，大多通過經(jīng)驗公式以及機械工程師的實踐經(jīng)驗完成校核。
六、改造效果
截至目前，配備了Fanuc-0iB數(shù)控系統(tǒng)的CT40數(shù)控車床已經(jīng)試運行了近一年。由于在確定系統(tǒng)開發(fā)的方案時根據(jù)用戶提供的使用需求，保證了機床的相關(guān)功能。改造后的機床數(shù)控單元、伺服系統(tǒng)采用著名廠家的型號系列，有利于今后的維護管理和備件購買。CT40數(shù)控車床升級改造達(dá)到預(yù)期效果。
